Estação e instrumentos meteorológicos

O monitoramento das variáveis meteorológicas é fundamental para descrever o clima de um lugar e também observar suas tendências a curto e longo prazos, assim como comparar com os valores de outras regiões e como elas interagem entre si. Por exemplo, valores de pressão diminuindo com o tempo indicam tempo instável, com provável chuva, enquanto que pressão aumentando indica tempo aberto (sem nuvens). Outro exemplo envolve a questão das mudanças climáticas: o clima de uma região deve ter uma série de pelo menos 10 anos de dados para poder ser caracterizado.

Índice rápido

Barômetro | Anemômetro | Termômetro | Higrômetro | Psicrômetro | Pluviômetro | Evaporímetro | Heliógrafo | Actinógrafo | EM IAG/USP

Uma Estação Meteorológica é constituída de instrumentos que medem as variáveis da atmosfera. Pode ser convencional, que utiliza equipamentos mecânicos e depende de um observador capacitado, ou automática, com equipamentos eletrônicos. Além dos instrumentos, a estação convencional é responsável por observação visual de nebulosidade (tipo e quantidade de nuvens, por quadrante do céu), visibilidade (estimada por objetos com distância conhecida) e fenômenos diversos (como raios e granizo).

A organização do serviço meteorológico de uma região conta com uma rede de estações meteorológicas de diversos tipos (de superfície, radiossondas, em aeronaves, boias, navios etc). Juntamente com os dados obtidos através dos radares e satélites meteorológicos, estes são enviados para centros regionais de coleta de dados, de onde seguem para centros de previsão de tempo e outras áreas que necessitarem dos dados (veja mais sobre previsão de tempo clicando nesse link).

Os instrumentos meteorológicos localizam-se no abrigo, no cercado, no terraço ou em uma sala. O cercado deve ser gramado, pois o albedo da grama é praticamente o mesmo em qualquer lugar do mundo, eliminando mais um fator responsável por gerar um microclima na estação. O abrigo é constituído de uma caixa de madeira, ventilada através de persianas, pintada de branco. A porta do abrigo deve ficar voltada para o Sul, no caso do hemisfério Sul, para que em nenhum momento recebam luz solar direta. Sua base deve estar a uma altura de 1,20m a 1,50 m de altura do solo, proporcionando melhor conveniência de leitura e para não pegar respingos de chuva e calor do solo.

Os instrumentos podem ser de leitura direta (nome termina com ‘metro’, que significa medida) ou registrador (nome termina com ‘grafo’, que significa registro/gravação). Nesse caso, os valores da variável são registrados através de uma pluma com tinta em um papel gráfico apoiado cobre um tambor cilíndrico que gira ao longo do dia/semana movido por um mecanismo de relógio. Veja um pouco mais sobre cada um dos principais instrumentos meteorológicos (suas imagens podem ser vistas no vídeo abaixo):

Barômetro

Utilizado para medir a pressão atmosférica. Em um dos modelos, funciona segundo o princípio de Torricelli: conforme a pressão do ar aumenta, essa força empurra o mercúrio e sua marcação sobe na escala de leitura. Também existe o modelo cuja deformação provocada pela variação de pressão produz em um grupo de cápsulas metálica aneroides (com vácuo interior). Sua unidade no sistema internacional é o hPa (hectopascal).

Outros aparelhos que medem pressão (e que não é a pressão da atmosfera sobre a superfície terrestre):

• Esfigmomanômetro é o aparelho que mede a pressão arterial (aquele que vai no braço da pessoa examinada) – o significado dessa palavra vem do Grego SPHYGMÓS, que significa “pulsação, bater do coração”;
• Manômetro é um instrumento utilizado para medir a pressão de fluidos (líquidos ou gases) contidos em recipientes fechados – do gregro MANÓS, que significa “pouco/ligeiramente denso”;
• Piezômetro é um aparelho utilizado para medir a pressão que a água (ou sua ausência) exerce na composição do solo.

Anemômetro

Aparelho que mede a velocidade do vento. Sua intensidade é obtida pelo giro de conchas e seu sentido (de onde vem) é dado por um objeto giratório que se alinhe com o vento. Através da análise de sua variação com o tempo, é possível inferir as rajadas de ventos.

A parte do instrumental atingida diretamente pelo vento deve ficar no alto da estação, a uma altura em geral de 10 metros. Sua unidade no sistema internacional é o m/s (metros por segundo). Aeroportos usam indicadores de direção e intensidade do vento, conhecidos como birutas.

Termômetro

Responsável por medir a temperatura do ar. Um elemento sensível (anéis de metal ou mercúrio, um metal líquido) muda de tamanho conforme varia a temperatura, o que pode ser observado por uma escala. Sua unidade no sistema internacional é o °C (graus Celsius).

O termômetro de máxima é semelhante ao comum, porém apresenta um estrangulamento no tubo capilar, próximo ao reservatório, que serve para estreitar o calibre do tubo. Ao aumentar a temperatura, o mercúrio do termômetro dilata-se, e com tal força que consegue transpor o estrangulamento. Ao diminuir a temperatura, o estrangulamento não permite que o mercúrio retorne ao reservatório e o termômetro permanece indicando a maior temperatura ocorrida no período. Fica em posição quase horizontal no suporte termométrico acima do de mínima.

Quanto ao termômetro de mínima, o tipo mais comum é o termômetro de álcool, com um indicador de vidro escuro em forma de halteres, com cerca de 2 cm imerso na coluna de álcool. Quando o álcool se contrai por abaixamento de temperatura, a tensão superficial na extremidade da coluna de álcool, por ser maior que o peso do índice, arrasta-o consigo enquanto a temperatura estiver baixando. Se houver aumento de temperatura, o álcool se dilata novamente e escoa-se ao redor do índice, mas deixando-o na posição correspondente à temperatura mínima ocorrida.

Importantes para a agrometeorologia, existem também os termômetros de solo (geotermômetros), que servem para medir a temperatura do solo em diferentes níveis de profundidade. Veja uma foto e mais informações no post Variações da temperatura no solo.

Higrômetro

Os modelos mais comuns de higrômetros/higrógrafos utilizam como elemento sensível um feixe de cabelos, especialmente tratado para este fim.

Fios de cabelo são higroscópicos (retiram umidade do ar e alteram sua dimensão) e possuem 0,05 a 0,12 mm, conforme etnia e idade. Ao nascer, o ser humano tem cabelo com fios muito finos, engrossam até certa idade e depois perdem diâmetro conforme passam os anos. No clima úmido, o cabelo absorve mais umidade e fica menos liso.

Uma ideia para feira de Ciências: um fio de cabelo, ao ser atingido por um feixe de luz (como de um laser), dá origem a regiões luminosas e escuras sobre uma folha de papel sobre a qual a luz incida. Através do tamanho de suas sombras projetadas, é possível saber o diâmetro do objeto. Assim, mede-se sua variação de diâmetro conforme muda a umidade. Desse modo, elabora-se uma tabela com os valores de diâmetro dos fios para obter a umidade do ar. Com um feixe de fios, diminui-se a incerteza da medida. Veja mais no vídeo abaixo e no link sobre como medir o diâmetro de um fio de cabelo.

Algumas vezes os higrógrafos têm montagem conjugada com os termógrafos, registrando as informações num mesmo diagrama (termohigrógafo). São muito observados em ambientes que necessitem de um controle constante de temperatura e umidade, como em museus.

Psicrômetro

Aparelho que tem como objetivo medir a umidade do ar. Para isso, compõe-se de dois termômetros idênticos, porém um deles com o bulbo envolvido em cadarço de algodão, mantido constantemente molhado.

O primeiro termômetro é denominado bulbo seco e, o segundo termômetro bulbo úmido. Eles são montados verticalmente, lado a lado, em um suporte localizado no abrigo meteorológico. O de bulbo úmido deve receber ventilação para perder temperatura por evaporação – da mesma forma que, ao sair da piscina, você sente frio devido ao calor roubado do seu corpo durante o processo de passagem da água do estado líquido para o gasoso. Quanto mais seco o ar, mas fácil a água evapora e mais a temperatura de bulbo úmido cai. Através da diferença entre as duas temperaturas, consulta-se a tabela psicrométrica para saber o valor de umidade.

Pluviômetro

Instrumento utilizado para armazenar água da chuva para sua medição. Possuem diferentes modelos, mas todos apresentam uma área limitada por um aro que serve como uma área de captação, em forma de funil, que se adapta à parte superior do reservatório. A distância mínima de obstáculos até o bocal do pluviômetro é dada por L=2.h, onde h é a altura do obstáculo. Assim, pretende-se evitar problemas com a coleta da água de chuvas inclinadas.

Há o pluviógrafo do Tipo “Helmann” (Sifão) que é um cilindro com uma boia que se eleva a proporção que ocorre a precipitação, sifonando quando atinge o limite superior (10 mm) do diagrama, voltando a boia ao zero do diagrama.

Acompanham uma proveta para leitura da altura da água recolhida em intervalos fixos de tempo, graduada em milímetros. Cada milímetro de chuva representa 1 litro de água de chuva por metro quadrado de superfície, conforme demonstrado abaixo:

\(\frac{1l}{1m^2}=\frac{1000cm^3}{10000cm^2}=\frac{1}{10}cm=1mm\)

Para transformar o volume da água coletada em milímetros de chuva (caso não se tenha a graduação), deve-se primeiramente calcular a área da base da proveta (A_b) e convertida para metros quadrados. O volume de água deverá estar em litros (V). A pluviosidade, em milímetros, é obtida através de regra de três (1 mm de chuva está para 1 litro/m²; assim como P está para V/A litros/m²) e será expressa por:

\(P=\frac{V}{A_b}\)

Para fazer seu próprio pluviômetro:

1. pegue uma garrafa PET e corte seu topo
2. coloque umas pedras no fundo da garrafa para ele não cair com o vento
3. cole o topo da garrafa virado de cabeça para baixo nessa abertura que você acabou de fazer
4. meça o diâmetro (D) da boca do pluviômetro e calcule sua área usando a fórmula A = π x (D/2)²
5. coloque o pluviômetro em um local aberto, sem nada por cima, para receber a chuva quando vier
6. depois da chuva, despeje a água coletada em um copo medidor (faça um furinho na lateral superior para tirar a água)
7. converta o volume medido (V, em litros) para milímetros de chuva (P, em mm) através da fórmula P = V/A

Evaporímetro e Tanque de evaporação

Utilizado para medir a evaporação do ar. O Evaporímetro de Piche consiste em um pequeno tubo de vidro fechado em uma extremidade, e graduado em milímetro e décimos de milímetro. Próximo à extremidade aberta, ajusta-se uma peça metálica movediça, simples dispositivo para fixar um disco de papel poroso, cuja utilidade é a de vedar a saída quando o aparelho é invertido, sem nisto lhe impedir a livre evaporação.

Com o mesmo objetivo, um Tanque de Evaporação Classe A consiste em um tanque em forma circular, de aço inoxidável ou galvanizado. Complementando o aparelho, existe um conjunto de termômetro de máxima e mínima, um sistema de medição de água evaporada e um anemômetro.

Heliógrafo

O aparelho é utilizado para medir a duração (em horas) de brilho solar. Compõe-se de uma perfeita esfera de vidro, suspensa em um sólido suporte semicircular, tendo por baixo uma armação metálica em forma de concha, em cuja face interna existem vãos formados por seis ranhuras independentes e concêntricas com a esfera.

Os raios solares são focalizados através do vidro sobre uma tira de cartolina colocada, conforme a época do ano, em um dos vãos da concha, de modo que o intenso colar do sol vai queimando progressivamente a cartolina, desde que não haja nuvens capazes de interceptar os raios daquele astro. A posição do eixo da esfera pode ser alterada adaptando o aparelho a qualquer latitude entre 0° e 70°. Pode ser colocado sobre um pilar de concreto e/ou no telhado da estação.

Actinógrafo

Instrumento que mede a radiação solar. Consiste de um elemento sensível, que é uma placa de metal montada horizontalmente, constituída de outras três placas, uma negra no centro e duas brancas laterais, que absorvem radiação solar em quantidades diferentes, resultando em dilatação diferente de cada metal. É conjugado a um sistema de alavancas que, por sua vez, movimenta a pena do aparelho sobre o tambor de relojoaria.

O gráfico resultante do funcionamento do actinógrafo deve ter o valor da energia recebida pelo Sol obtido através do cálculo da área com o uso de um planímetro e de uma fórmula matemática.

Outros instrumentos utilizados para medir radiação solar:

• Pireliômetro: Radiação solar direta em incidência normal;
• Piranômetro: Irradiância (razão entre o fluxo de radiação pela área do elemento de superfície, dada em W/m²) solar global proveniente de todo um hemisfério;
• Radiômetro solar: radiância espectral solar direta em incidência normal (fotômetro solar). Radiância é a razão entre a intensidade de radiação de um certo elemento de superfície, em uma determinada direção, e a área da projeção ortogonal deste elemento em um plano perpendicular a essa direção (sua unidade é Wm^-2sr^-1);
• Pirgeômetro: Irradiância de onda longa proveniente de todo um hemisfério;
• Pirradiômetro: Medidas do saldo de radiação total (onda curta mais onda longa) em um hemisfério.
• Multifilter Rotating Shadowband Radiometer (MFRSR): medidas em determinados intervalos espectrais (centrados em 415, 500, 615, 673, 870 e 940 nm) de irradiância global e difusa;

Uma estação de monitoramento solar completa é formada de (no mínimo) um pireliômetro (irradiância direta normal), um piranômetro (irradiância horizontal global) e um piranômetro sombreado (irradiância horizontal difusa).

Mais sobre a Estação Meteorológica apresentada no vídeo

A Estação Meteorológica do IAG/USP está localizada no pavimento superior do prédio da Administração do Parque Cientec/USP, com instrumentos e documentação coletada desde 1933. Também possui um Cercado Meteorológico, com instrumentos ao ar livre, para coleta de dados. É a primeira estação meteorológica que foi implantada no Estado de São Paulo. Inicialmente funcionou em uma torre que existiu no Parque da Luz (em 1888), tendo sido transferida para a Escola Normal Caetano de Campos (na Praça da República, de 1902 a 1912) e em seguida para a Avenida Paulista. Na década de trinta começou a funcionar no Parque do Estado, atual Parque Estadual das Fontes do Ipiranga, até o presente.

Veja mais sobre o Parque Cientec e sobre a história da Estação Meteorológica clicando nos respectivos links.